TY - BOOK

T1 - Beschleunigte Prüfmethoden zur Charakterisierung des langfristigen Materialverhaltens kontinuierlich glasfaserverstärkter Verbundwerkstoffe unter statischer Last

AU - Gloggnitzer, Stefan

N1 - nicht gesperrt

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Verbundwerkstoffe eröffnen durch ihre spezifischen Materialeigenschaften ein breites und vielseitiges Verwendungsspektrum, unter anderem auch dort wo fortwährende statische Lasten auf das Werkstoffsystem einwirken. Derartige Beispiele hierfür wären lasttragende Bauteile für die Druckspeicherung von Wasserstoff oder Erdgas oder thermische Entkopplungsbauteil innerhalb lasttragender Bauwerksstrukturen. Endlose gerichtete Verstärkungsfasern in meist duromere Matrixwerkstoffe bilden dabei ein Werkstoffsystem, dessen mechanisches Eigenschaftsprofil als zeitlich veränderlich gilt. Die Bestimmung derartig veränderlicher Werkstoffeigenschaften unter der Verwendung konventioneller Charakterisierungsverfahren, beispielsweise Kriechversuche, würden bei ausgedehnten Verwendungszeiten von mehreren Jahrzehnten experimentelle Prüfzeiten analog zur Anwendungszeit erfordern, welches den ökonomisch vertretbaren Zeithorizont für Prüfprozesse bei weitem übersteigt. Daher sind geeignete Prüfmethoden zur beschleunigten Abbildung langfristiger Materialeigenschaften unumgänglich. Geeignete Prüfverfahren, welche vorrangig für Materialien mit viskoelastischen Eigenschaften entwickelt wurden, nützen dazu die Intensivierung ein oder mehrere Belastungsfaktoren, meist mechanische Last oder Temperatur, um das Deformationsverhalten zu beschleunigen und mit der Verwendung geeigneter Auswerte- und Verschiebungskonzepte Materialeigenschaften aus dem realen Langzeitbereich abzubilden. Da deren Anwendbarkeit für Faserverbundwerkstoffe jedoch bis dato nur im geringen Umfang untersucht wurde, galt es die Anwendbarkeit ausgewählter Verfahren zu verifizieren, sowie neue Verfahren zur Bestimmung langfristiger Materialeigenschaften zu entwickeln. Konventionelle Kriechversuche an Laminaten mit Faserorientierungen von 0 °, ± 45 ° und 90 ° zeigten, dass kontinuierlich faserverstärkte Verbundwerkstoffe bei statischen Lasten entlang der Faserrichtung (0° Laminat) geringe zeit- und belastungshöhenabhängige Materialeigenschaften zeigen. Hingegen mit Zunahme des Faserwinkels wie auch unter fortschreitender Belastungszeit zeigen die anderen Laminate eine deutliche Kriechdeformation unter statischer Last. Unabhängig der Faserorientierung führten bei allen untersuchten Laminataufbauten langfristige statische Lasten zu einer Reduktion der Werkstofffestigkeit, ersichtlich anhand der belastungszeitabhängigen Zeitstandfestigkeit. Darauf aufbauende Untersuchungen unter der Anwendung beschleunigter Prüfverfahren zeigten, dass sowohl die Prüfverfahren selbst wie auch der Faserwinkel der zu charakterisierenden Verbundwerkstoffe die Vorhersagegüte der langfristigen Materialeigenschaften beeinflussen. Die entwickelte Prüfmethode stress rate accelerated creep rupture test (SRCR) zeigte dabei für alle untersuchten Laminataufbauten die beste Ergebniskorrelation zu den konventionellen Kriechversuchen, die R-verhältnisvariierenden Ermüdungsversuche hingegen die geringste. Dazu aufklärende Versuche an trockenen Fasertextilien konnten nur ansatzweise die möglichen Hintergründe darstellen. Unter der Anwendung der Methode SSM zeigte prinzipiell nur die Zeitstandfestigkeit des Laminats ± 45 ° eine erhebliche Ergebnisdifferenz zwischen konventionellen und beschleunigten Versuchsergebnissen. Generell zeigten jedoch die beschleunigt bestimmten Verläufe der Zeitstandfestigkeit, sowohl mittels SRCR wie auch mittels SSM, im Vergleich zu den konventionell gemessenen Zeitstandfestigkeiten ein nicht konservatives Vorhersageverhalten und somit eine Überbewertung tatsächlicher Zeitstandzeiten. Zusammenfassend lässt sich jedoch festhalten, dass beschleunigte Prüfkonzepte mit zugehörigen Auswerte- und Extrapolationskonzepten durchaus in der Lage sind, langfristige Materialeigenschaften abzubilden, wobei die Feststellung der zu Grunde liegenden Schädigungsmechanismen innerhalb der Werkstoffstruktur weiterer Untersuchungen bedarf.

AB - Verbundwerkstoffe eröffnen durch ihre spezifischen Materialeigenschaften ein breites und vielseitiges Verwendungsspektrum, unter anderem auch dort wo fortwährende statische Lasten auf das Werkstoffsystem einwirken. Derartige Beispiele hierfür wären lasttragende Bauteile für die Druckspeicherung von Wasserstoff oder Erdgas oder thermische Entkopplungsbauteil innerhalb lasttragender Bauwerksstrukturen. Endlose gerichtete Verstärkungsfasern in meist duromere Matrixwerkstoffe bilden dabei ein Werkstoffsystem, dessen mechanisches Eigenschaftsprofil als zeitlich veränderlich gilt. Die Bestimmung derartig veränderlicher Werkstoffeigenschaften unter der Verwendung konventioneller Charakterisierungsverfahren, beispielsweise Kriechversuche, würden bei ausgedehnten Verwendungszeiten von mehreren Jahrzehnten experimentelle Prüfzeiten analog zur Anwendungszeit erfordern, welches den ökonomisch vertretbaren Zeithorizont für Prüfprozesse bei weitem übersteigt. Daher sind geeignete Prüfmethoden zur beschleunigten Abbildung langfristiger Materialeigenschaften unumgänglich. Geeignete Prüfverfahren, welche vorrangig für Materialien mit viskoelastischen Eigenschaften entwickelt wurden, nützen dazu die Intensivierung ein oder mehrere Belastungsfaktoren, meist mechanische Last oder Temperatur, um das Deformationsverhalten zu beschleunigen und mit der Verwendung geeigneter Auswerte- und Verschiebungskonzepte Materialeigenschaften aus dem realen Langzeitbereich abzubilden. Da deren Anwendbarkeit für Faserverbundwerkstoffe jedoch bis dato nur im geringen Umfang untersucht wurde, galt es die Anwendbarkeit ausgewählter Verfahren zu verifizieren, sowie neue Verfahren zur Bestimmung langfristiger Materialeigenschaften zu entwickeln. Konventionelle Kriechversuche an Laminaten mit Faserorientierungen von 0 °, ± 45 ° und 90 ° zeigten, dass kontinuierlich faserverstärkte Verbundwerkstoffe bei statischen Lasten entlang der Faserrichtung (0° Laminat) geringe zeit- und belastungshöhenabhängige Materialeigenschaften zeigen. Hingegen mit Zunahme des Faserwinkels wie auch unter fortschreitender Belastungszeit zeigen die anderen Laminate eine deutliche Kriechdeformation unter statischer Last. Unabhängig der Faserorientierung führten bei allen untersuchten Laminataufbauten langfristige statische Lasten zu einer Reduktion der Werkstofffestigkeit, ersichtlich anhand der belastungszeitabhängigen Zeitstandfestigkeit. Darauf aufbauende Untersuchungen unter der Anwendung beschleunigter Prüfverfahren zeigten, dass sowohl die Prüfverfahren selbst wie auch der Faserwinkel der zu charakterisierenden Verbundwerkstoffe die Vorhersagegüte der langfristigen Materialeigenschaften beeinflussen. Die entwickelte Prüfmethode stress rate accelerated creep rupture test (SRCR) zeigte dabei für alle untersuchten Laminataufbauten die beste Ergebniskorrelation zu den konventionellen Kriechversuchen, die R-verhältnisvariierenden Ermüdungsversuche hingegen die geringste. Dazu aufklärende Versuche an trockenen Fasertextilien konnten nur ansatzweise die möglichen Hintergründe darstellen. Unter der Anwendung der Methode SSM zeigte prinzipiell nur die Zeitstandfestigkeit des Laminats ± 45 ° eine erhebliche Ergebnisdifferenz zwischen konventionellen und beschleunigten Versuchsergebnissen. Generell zeigten jedoch die beschleunigt bestimmten Verläufe der Zeitstandfestigkeit, sowohl mittels SRCR wie auch mittels SSM, im Vergleich zu den konventionell gemessenen Zeitstandfestigkeiten ein nicht konservatives Vorhersageverhalten und somit eine Überbewertung tatsächlicher Zeitstandzeiten. Zusammenfassend lässt sich jedoch festhalten, dass beschleunigte Prüfkonzepte mit zugehörigen Auswerte- und Extrapolationskonzepten durchaus in der Lage sind, langfristige Materialeigenschaften abzubilden, wobei die Feststellung der zu Grunde liegenden Schädigungsmechanismen innerhalb der Werkstoffstruktur weiterer Untersuchungen bedarf.

KW - Winkelverbundlaminate

KW - Kriechen

KW - Zeitstand

KW - Ermüdung

KW - Spannung-Zeit-Verschiebung

KW - SRCR

KW - SSM

KW - Angle ply composites

KW - creep

KW - creep rupture

KW - fatigue

KW - time-stress-superposition

KW - SRCR

KW - SSM

M3 - Dissertation

ER -